玻璃熔窑天然气掺氢燃烧探究

诸葛勤美 吴加锋 陈哲颀

（中国新型建材设计研究院有限公司 杭州 310022）

0 引言

玻璃行业是我国国民经济发展的重要基础原材料产业，玻璃生产过程中需要消耗大量的能源。其中玻璃熔窑能耗占玻璃工厂总能耗的95%左右，目前玻璃熔窑燃料主要是化石燃料，如燃料油、天然气、焦炉煤气、石油焦粉、煤炭等，其优点是热值高、燃烧较为稳定，缺点是化石能源日益短缺，燃烧排放废气中CO、CO2、SOX、 NOX等含量较高，环保压力较大。

氢气作为一种洁净能源，由于其对于环境友好、极高的能量密度和储存能力以及燃烧产物无污染等特点，将其应用到玻璃行业变得十分重要。基于氢能的重要作用及其发展前景以及氢能在玻璃企业中的应用现状，有必要对其在玻璃熔窑中的应用进行更深一步的研究。为响应国家推动重点工业领域节能降碳和绿色转型，实现碳达峰碳中和目标，本文着重研究玻璃熔窑天然气燃烧系统中掺入氢气的三个不同燃烧方案，使其在玻璃熔窑中使用更加高效、安全、节能。

1 氢能在玻璃生产中的应用现状

据报道，圣戈班公司在其德国的工厂研发测试使用掺30%氢含量的燃料生产平板玻璃取得较好效果，证明了掺氢燃料生产玻璃的技术可行性。截至当前，玻璃企业生产中氢气使用量较少，浮法玻璃企业锡槽所用保护气体一般采用氮气和氢气的混合气体，氢气的体积占比一般为3%～8%，其余为氮气。氢气在混合气体中的主要作用是防止锡槽中的锡液被氧化，造成玻璃下表面沾锡等缺陷，当锡槽中有氧化介质进入时，会首先与混合气体中的氢发生反应而保护金属锡液不被氧化，一般浮法玻璃生产线氢气用量为50～300 Nm3/ h［1］。

当前国内还没有玻璃企业直接将氢气用于玻璃熔窑燃烧，也没有在天然气中掺入一定量的氢气进行混合燃烧，以降低玻璃熔化过程中的碳排放量，来实现生产过程降低碳排放的目的。该技术难点在于如何解决氢气的大量生产和输送；掺氢混合器和燃烧喷枪的设计和技术优化；制定适应于掺氢天然气燃烧的工艺制度；设计适用于掺氢燃烧的玻璃熔窑等。研究发现，当氢能替换率为30%时，可以实现玻璃熔窑燃烧过程减少碳排放10%～15%［1］，对于玻璃生产企业具有良好的经济和社会效益，也符合国家提出的碳达峰碳中和的总体目标。

2 氢气在玻璃熔窑燃烧工艺中的应用研究

按照不同的掺氢比例，武汉理工大学做了二组模拟实验：第一组：甲烷在不同掺氢体积比下燃烧，熔制气氛对玻璃中羟基含量与结构的影响；第二组：玻璃熔窑中甲烷掺氢燃烧的模拟研究。

通过第一组实验得出：玻璃熔制过程中，烟气所含有的水蒸气能够溶于玻璃熔体中，并与玻璃熔体发生反应。随着燃料中掺氢比例的提高，玻璃中溶解羟基的量也随之增加。通过第二组实验得出：玻璃熔窑中甲烷掺氢燃烧后，燃烧反应速率加快，反应过程加快，随着掺氢比增大，燃烧火焰的温度峰值升高、峰值温度出现的位置更靠近燃料入口。

在熔窑所需热量一定的情况下，掺氢比越大，碳氧化物和氮氧化物产量越小。经过对比，最终设计氢气总体积流量为熔窑熔化玻璃时所需天然气总体积流量的30%，即燃料中氢气与天然气的体积比为3:7。根据试验线要求，熔窑设7对小炉。经计算，在燃烧产生相同热量的情况下，天然气燃烧需氧量约是氢气燃烧的1.45倍，氢气燃烧产生的水蒸气量约是天然气燃烧的1.38倍。因此，熔窑内燃烧产生相同热量情况下，当掺氢体积比为30%时，氢气燃烧比天然气燃烧碳氧化物产量减少约13.4%，氮氧化物产量减少约4%，水蒸气产量增加约5%。

2.1 天然气掺氢方案一

将所需氢气经主管流量计和调节阀后，全部掺入经主管流量计计量后的天然气主管道中，天然气和氢气混合均匀后，分成7根支管，全部供给各个小炉。此方案混合工艺简单，熔窑内燃料成分比较均匀，制造成本低，易操作；缺点是各个小炉内氢气含量相同，不能分别控制。

通过对天然气和氢气的热值用量计算，体积比为30%掺氢比例下各管路的管径计算结果见表1。天然气掺氢系统原理（方案一）见图1。

图1 天然气掺氢系统原理（方案一）

表1 天然气、氢气总管参数

2.2 天然气掺氢方案二

一定量的天然气和氢气分别通过主管各分成7根支管，分别经支管流量计和流量调节阀后，混合均匀供给各个小炉。根据熔窑各个部位对燃烧气氛的不同需求，每对小炉的天然气支管中可分别掺入不同比例的氢气，以达到精准控制的目的。此方案混合工艺相对复杂，制造成本较高，操作繁琐，但可达到各对小炉氢气比例灵活精准控制，适合各种工况下生产。

通过对天然气和氢气的热值用量计算，体积比为30%总掺氢比例下各管路的管径计算结果见表2、表3。

表2 天然气、氢气各小炉支管参数

表3 天然气掺氢后各小炉支管管道参数

2.3 天然气掺氢方案三

一定量的天然气和氢气分别通过主管各分成3根支管，经支管流量计和流量调节阀后，在天然气支管中分别掺入不同比例的氢气，以达到更好的熔化效果。前3对小炉为还原焰区，掺氢比例设为30%～37%；4#、 5#小炉为中性焰区，掺氢比例约为30%；6#、 7#小炉为氧化焰区，掺氢比例设为0～30%。天然气和氢气混合均匀，第1根支管供给1#～ 3#小 炉，第2根支管 供 给4#、5#小炉，最后1根支管供给6#、 7#小炉。此方案介于方案一和方案二之间，混合工艺难度为中等，制造成本适中，操作难度一般，可分区控制熔窑内掺氢比例和燃烧气氛，是个不错的选择。

通过对天然气和氢气的热值用量计算，各管路的管径计算结果见表4、表5。

表4 天然气、氢气各小炉支管参数

表5 天然气掺氢后各小炉支管参数

3 结论

根据实验结论及理论研究，针对氢能燃烧玻璃熔制工艺的特点和熔制要求，认为采用方案三更优，按照玻璃熔化工艺特点，在玻璃熔窑三种燃烧气氛（还原、中性、氧化）中分别掺入不同比例的氢气，还原焰区掺氢比例设为30%～37%；中性火焰区域掺氢比例约为30%；氧化火焰区域掺氢比例为0～30%。天然气和氢气分区混合后，按不同比例分小炉供给熔窑各喷枪，按照合理的流速设计相应压力、管径大小。该方案可以在更加精准地分配热量、节约天然气用量的同时，还能大幅降低熔窑烟气中的碳氧化物和氮氧化物含量，并有利于玻璃熔窑燃烧气氛稳定，对熔窑耐火材料的侵蚀和玻璃结构稳定性影响较小，可以为生产企业节能减排提供一种新的解决方案。

该方案符合我国产业结构调整和经济发展方式转变的要求，完全符合国家产业政策和产业规划。玻璃企业掺氢燃烧替代纯天然气等能源无论是对增强企业综合竞争力，还是对玻璃行业节能减碳技术应用，推进我国玻璃产业能耗减低至国家标杆水平和基准水平，节约资源、促进绿色经济高速发展都是十分必要的，具有明显的经济效益和社会效益。随着国内绿氢项目研究的深入，制氢成本不断下降，掺氢燃料也必定会在玻璃生产上得到广泛应用。